不同通道尺寸的微通道相變散熱器性能研究

黃坤昆，謝雪松，郭海霞，張小玲，王 群

（1.北京工業大學電子科學與技術，北京 100124；2.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266111）

隨著電子技術和高精密半導體制造技術的飛速 發展，在許多領域中對高速、高頻和最小化物理尺寸的電子設備性能的需求已經大大增加。但是從散熱的角度考慮，一些高功率電子設備的功率密度已經超過100 W∕cm2，未來預計將達到1 000 W∕cm2[1]。這導致了電子設備中產生了非常高的功率密度，并且對電子設備的散熱性能提出了新的挑戰。溫度對電子設備運行時的可靠性影響非常大。研究表明，當電子設備的溫度達到70 ℃后，其溫度只要每升高1 ℃，可靠性就會下降5%[2]。因此，電子設備散熱技術已成為其安全穩定運行的重要手段。

諸如空氣冷卻、熱管冷卻和熱電制冷技術等傳統散熱方式存在設備尺寸大、生產成本高、結構復雜和散熱效率低的缺點。它們不能緩解現代高集成度高熱流密度電子設備的散熱要求和性能需求兩者之間的矛盾。因此，采用一種結構緊湊、散熱效率高的新型緊湊散熱方案來解決電子設備產生的高熱流密度而帶來的熱可靠性問題非常重要。

根據已有的研究，具有較大的比表面積，緊湊的結構和突出的傳熱性能的微通道散熱器已被認為是解決大功率電子設備散熱的重要手段。Tuckerman和Pease[3]首次研究了由硅制成的微通道散熱器的散熱性能。實驗結果顯示，該散熱器散熱密度達到了790 W∕cm2，而且芯片的表面溫度低于71 ℃，這表明微通道散熱器具有非常優異的散熱性能。因此，使用新型緊湊散熱高效的微通道散熱器對現代電子設備進行散熱是一種合理的解決方案。

1 微通道相變散熱器

微通道相變散熱器由于其通道尺寸小，傳熱系數很大，可以大幅增大散熱量。當微通道內的工作物質發生相變時發生核態沸騰，產生的氣泡增大了液體的擾動，熱交換過程加強，傳熱量將大大增加[4-8]。

文中設計的微通道相變散熱器由核心部件微通道散熱芯以及蓋板和外框組成。圖1 為散熱芯2 的尺寸設計圖，通道寬度為0.2 mm，高度為1.0 mm，通道間距為1.0 mm，通道底距離散熱芯底部距離為3.0 mm。圖2 為微通道散熱芯設計示意圖，圖3 為微通道相變散熱器設計圖。整個微通道相變散熱器的結構是將散熱芯嵌入到外框中，并將蓋板蓋在外框頂部。

圖1 散熱芯2尺寸設計圖

圖2 微通道散熱芯設計示意圖

圖3 微通道相變散熱器設計圖

矩形通道具有流動阻力和熱阻小以及孔隙率高等優點，因此該文設計的微通道選用矩形通道。為了對比不同通道尺寸的微通道相變散熱器的傳熱系數和壓降特性，設計了5 個不同通道尺寸的微通道散熱芯，在長、寬和高分別為59 mm、36 mm 和4 mm 的矩形紫銅塊中切割出30 個寬度和高度不同的微通道。它們的通道寬度(Wc)和高度(Hc)：散熱芯1，Wc=0.2 mm,Hc=1.0 mm；散熱芯2，Wc=0.2 mm,Hc=1.8 mm；散熱芯3,Wc=0.3 mm,Hc=1.5 mm；散熱芯4，Wc=0.3 mm,Hc=2.1 mm；散熱芯5，Wc=0.5 mm,Hc=2.5 mm。

該微通道相變散熱器的工作原理：在其外框底部放入4 個互相并聯的總電阻為50 Ω的功率電阻作為模擬熱源，蠕動泵以一定流速驅動工作物質從微通道相變散熱器入口流入，在流經散熱器的過程中，將模擬熱源產生的熱量帶走，最后工作物質從出口流出。

2 微通道相變散熱驗證系統

為了對微通道相變散熱器的散熱過程進行控制，制作了一套微通道相變散熱驗證系統。它的功能是對微通道相變散熱器的散熱進行控制，從而測量該散熱器的傳熱系數、壓降特性等性能參數。圖4 為該整機系統架構示意圖。其中標有箭頭的為管道中工作物質流經的路徑，黑色實線為電路線連接路徑。

圖4 微通道相變散熱驗證系統架構示意圖

USB2016 采集卡連接具有4 路數據輸出的光耦隔離繼電器，這4 路數據輸出電路對4 個電磁閥的通斷進行控制[9-11]。模擬熱源控制器對熱源施加電壓，使其產生熱量。蠕動泵設置的流速為50～170 mL∕min，間隔20 mL∕min。壓差傳感器測量微通道相變散熱器進出口兩端壓差，其輸出值是通過電流的大小來表示，通過DM3068 數字萬用表來顯示其電流值。MAX6675溫度采集模塊是由Arduino單片機，4個MAX6675 熱電偶數字轉換器和4 個熱電偶溫度探頭構成，其中4 個熱電偶溫度探頭用來測量微通道相變散熱器壁面的4 個壁孔溫度。當需要工作物質吸收熱量時，打開電磁閥S3，驅動泵驅動工作物質流經換熱器，經過高溫循環器，流入儲熱槽儲存熱量；當不需要熱量時，打開電磁閥S4，工作物質流經冷凝器，將熱量排放到環境中，最后工作物質流回水槽[12-16]。

3 實驗結果與討論

3.1 傳熱性能

微通道相變散熱器的換熱是由工作物質與散熱芯直接接觸時水與散熱芯壁面溫差引起的，這是一種對流傳熱過程。因此使用對流換熱系數來表征微通道相變散熱器的傳熱性能。對流傳熱系數的表達式為：

式中，Φ為工作物質流經微通道散熱芯壁面帶走的熱量，其表達式為：

微通道相變散熱器單位面積的換熱量，即熱流密度的表達式為：

綜合式（1）～（3），可推導出微通道相變散熱器最終的對流傳熱系數為：

式中，cp為水的比熱容，gm為水的質量流量，Tout為出口水的溫度，Tin為入口水的溫度，Tw為散熱器的壁面平均溫度，Tf為水的平均溫度，Ls和Ws分別為散熱器的長度和寬度。

由于該文設計的5 個微通道散熱芯的通道尺寸都不相同，為了統一表示散熱器換熱表面的尺度，使用水力直徑來研究通道尺寸對微通道相變散熱器的影響[5]。對于矩形微通道，其定義為通道4 倍的橫截面積除以流體濕潤的通道橫截面周長，表達式為：

式中，Ac為通道的橫截面積，P為流體濕潤的通道橫截面周長，Hc為通道高度，Wc為通道寬度。通過計算，可以得到每個微通道散熱芯的水力直徑：散熱芯1，Dp=0.333 mm；散熱芯2，Dp=0.360 mm；散熱芯3，Dp=0.500 mm；散熱芯4，Dp=0.525 mm；散熱芯5，Dp=0.833 mm。圖5 是在相同熱流密度q=277 kW∕m2，工質流速v為50～170 mL∕min 時不同微通道相變散熱器的傳熱系數隨水力直徑的變化曲線圖。從圖中可看出，在相同的熱流密度和工質流速條件下，傳熱系數h隨水力直徑Dp的增大而減小，當Dp為0.333 mm、工質流速為170 mL∕min 時，傳熱系數值最大為116 kW∕(m2·℃)；同時，在相同熱流密度和水力直徑條件下，傳熱系數隨工質流速的增大而增大。

圖5 熱流密度為277 kW∕m2，不同工質流速下傳熱系數隨水力直徑的變化曲線圖

3.2 壓 降

微通道相變散熱器進出口兩端壓降可以用來表示蠕動泵的功率大小和系統的密閉性。該文主要用來比較不同通道尺寸的微通道相變散熱器進出口兩端壓降大小。壓差傳感器測量的壓降值的大小轉化為電流的形式表現出來，使用DM3068 數字萬用表顯示其值。壓降ΔP與電流I之間的數學關系為：

圖6 為微通道1 中工質流速和熱流密度對微通道相變散熱器兩端壓降的影響的變化曲線圖。

圖6 壓降隨工質流速和熱流密度的變化曲線圖

從圖中可以看到，微通道相變散熱器進出口兩端壓降隨流速的增大而增大。因為工質流速越大,說明蠕動泵的功率越大，導致壓降越大。同時，在流速不變的情況下，壓降隨熱流密度的變化趨勢是先減小后逐漸增大[17-18]。這是因為當開始給熱源加熱時，隨著溫度升高，水開始膨脹，分子間距加大，內聚力減小，使水和微通道散熱芯壁面的粘度降低，從而使壓降減小。當熱流密度繼續增大時，氣泡開始形成，增加微通道散熱芯的壁面熱量會降低兩相摩擦和加速梯度[6]，因此，壓降隨熱流密度的增大而開始增大。

圖7、8 和圖9 是在工質流速分別為50 mL∕min、90 mL∕min 和150 mL∕min 時，不同通道的微通道相變散熱器進出口兩端壓降隨熱流密度的變化曲線圖。從圖中可以看出，當工質流速和熱流密度不變時，壓降隨通道水力直徑的增大而減小。并且隨著流速的增大，壓降的變化趨勢逐漸趨于平緩。

圖7 工質流速v=50 mL∕min時微通道兩端壓降

圖8 工質流速v=90 mL∕min時微通道兩端壓降

圖9 工質流速v=150 mL∕min時微通道兩端壓降

4 結論

該文設計5種不同通道尺寸的微通道相變散熱器，并搭建了一套微通道相變散熱驗證系統來對微通道相變散熱器的傳熱性能和其進出口兩端壓降進行了實驗研究[19-20]，得出以下結論：1）微通道相變散熱器具有優異的散熱性能，在水力直徑Dp為0.333 mm、工質流速為170 mL∕min時，傳熱系數最大為116 kW∕(m2·℃)，可以解決高集成度高熱流密度電子器件散熱問題，提高電子器件的熱可靠性；2）增大水力直徑會減小傳熱系數，但會使微通道相變散熱器兩端壓降增大，使得驅動泵的功率增大。因此，需要根據適當的應用場景選擇合適的通道尺寸的微通道，以達到最優散熱性能和最小驅動泵所需功率；3）該文設計的散熱驗證系統能夠有效地控制微通道相變散熱器，從而對電子器件進行散熱，使電子器件工作在安全的溫度范圍，并且驗證散熱器的散熱性能，可以解決高集成度高熱流密度電子器件對溫度敏感的問題。